道路建筑材料（第2版）课件 单元八 建筑钢材之模块一~模块三 建筑钢材概述-新型建筑钢材

道路建筑材料单元八建筑钢材课程思政元素：

“四个自信”价值引领：我国是世界产钢大国，离不开前辈的辛勤付出；

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知识目标❈了解钢材的分类、规格、性能和应用❈熟悉钢材的技术性质和技术标准❈钢材技术性质的检测方法和检测标准能力目标❈能根据《金属材料弯曲试验方法》和《金属材料室温拉伸试验》对钢材的弯曲和拉伸试验指标进行检测，并能正确填写相关试验原始记录，独立出具相关试验报告；❈能根据《碳素结构钢》《钢筋混凝土用钢

第1部分：热轧光圆钢筋》等国家标准对所测定的技术指标进行正确评价，并能进行合理的选择应用。模块一建筑钢材概述1、钢材的定义建筑钢材是指建筑工程中应用于钢结构的各种型钢，如C型钢、H型钢、Z型钢、T型和U型钢等、钢板、钢管和用于钢筋混凝土中的各种圆钢、带肋钢筋和钢绞线等。

2、建筑钢材的特点优点：材质均匀、性能可靠、强度高，具有一定的塑性、韧性，能承受较大的冲击和振动荷载，可以焊接、铆接、螺栓连接，便于装配；安全性大，自重较轻。缺点：易腐蚀、维护费用大、耐火性差。概述桥梁建筑工程中常用的各种类型的型钢3、建筑钢材的种类——型钢桥梁建筑工程中常用的钢板和钢管3、建筑钢材的种类——钢板和钢管桥梁建筑工程中几种常用的钢筋3、建筑钢材的种类——钢筋建筑钢材在预应力钢结构中的应用建筑钢材的应用（一）按化学成分分类1、碳素钢（亦称“碳钢”）①低碳钢含碳量<0.25%②中碳钢含碳量0.25~0.6%③高碳钢含碳量>0.6%2、合金钢①低合金钢合金元素总含量<5%②中合金钢合金元素总含量5~10%③高合金钢合金元素总含量>10%1.1钢材的分类（二）按品质分类

1、普通碳素钢含硫量≤0.050%；含磷量≤0.045%。

2、优质碳素钢含硫量≤0.040%；含磷量≤0.040%。

3、高级优质碳素钢含硫量≤0.030%；含磷量≤0.035%。高级优质钢的钢号后加“高”字或“A”。（三）按成形方法分类1、锻钢；2、铸钢；3、热轧钢；4、冷拉钢。（四）按用途分1、结构钢；2、工具钢；3、特殊钢；4、专业用钢。（五）按冶炼时脱氧程度分1、按脱氧程度分类①沸腾钢(F)：是脱氧不完全的钢；②镇静钢(Z)：是脱氧充分的钢；③半镇静钢(b)：其脱氧程度和质量介于上述两者之间。④特殊镇静钢(TZ)：比镇静钢脱氧程度还要充分彻底，其质量最好

2、按炉种分类①平炉钢；②转炉钢；③电炉钢工程实例8-1某厂的钢结构屋架是用中碳钢焊接而成的，使用一段时间后，屋架坍塌。〔原因分析〕首先是因为钢材的选用不当，中碳钢的塑性和韧性比低碳钢差；且其焊接性能较差，焊接时钢材局部温度高，形成了热影响区，其塑性及韧性下降较多，较易产生裂纹。建筑上常用的主要钢种是普通碳素钢中的低碳钢和合金钢中的低合金高强度结构钢。案例解析钢是含碳量在0.04%～2.3%之间的铁碳合金。钢中除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。(1)碳:除铁之外含量最多的元素，是决定钢性能的主要元素。(2)锰:可减轻硫的有害作用，消除钢的热脆性，改善加工性能。(3)硅:是一种有益元素，在碳钢中含硅量小于0.35%。(4)硫:是一种有害元素，易引起钢的热脆性。(5)磷:是一种有害元素，易引起钢的冷脆性。含磷量一般不超过0.085%。(6)氧、氮:是有害元素，会显著降低钢的塑性、韧性、冷弯性能和可焊性。(7)钛、钒:是炼钢时的强脱氧剂，为有益元素，会改善钢材的组织结构，细化晶粒，提高钢的强度，改善其韧性。1.2钢的化学成分优点：强度高、性能可靠、材质均匀和安全性高，有一定的塑性和韧性，能承受较大的冲击和振动荷载等特点；钢材具有良好的工艺性能，可以采用焊接、铆接和螺栓连接等装配工艺；易于切削加工，可进行冷加工和热处理。缺点：能耗大、成本高、维修费用高、易锈蚀、耐火性差。应用：被广泛用于大跨度结构、受动力荷载结构和钢筋混凝土等建筑结构工程中，是现代桥梁(钢桥和钢筋混凝土桥)建设中极其重要的建筑结构材料之一。1.3钢的特点锈蚀：钢材表面与周围环境接触，在一定条件下，可发生作用，而使钢材表面腐蚀。腐蚀后果：造成钢材受力截面减小，表面不平整，产生应力集中，降低承载力、疲劳强度、冲击韧性，从而使钢材脆断。防护：保护膜法、电化学保护法和合金保护法，但最经济有效的方法是提高混凝土的密实度和碱度，并保证钢筋有足够的保护层厚度。1.4钢材的锈蚀与防护模块二建筑钢材的技术性质和技术要求低碳钢拉伸变形曲线（一）拉伸性能1、低碳钢的拉伸过程钢筋自受力直至拉断过程可分为4个阶段：1)弹性阶段(ob)(弹性极限或比例极限σp)2)屈服阶段(bc)(下屈服点的应力值为屈服强度σs)3)强化阶段(ce)(最高点e的应力为极限抗拉强度σb)4)缩颈阶段(ef)

(应力至强度极限f后，出现颈缩)2.1建筑钢材的技术性质2.1.1力学性能1)弹性阶段(ob)：在拉伸的初始阶段，σ-ε曲线(oa段)为一直线，说明应力与应变成正比，即满足胡克定理，此阶段称为线性阶段。线性阶段的最高点称为材料的比例极限(σp)，线性阶段的直线斜率即为材料的弹性模量E，单位为MPa。a点的应力为弹性极限，用σp表示，单位为MPa。线性阶段后，σ-ε曲线不为直线(ab段)，应力应变不再成正比，但若在整个弹性阶段卸载，应力应变曲线会沿原曲线返回，荷载卸到零时，变形也完全消失。卸载后变形能完全消失的应力最大点称为材料的弹性极限(σp)，一般对于钢等材料，其弹性极限与比例极限非常接近。2)屈服阶段(bc)：超过弹性阶段后，开始丧失对变形的抵抗能力，应力几乎不变，只是在某一微小范围内上下波动，而应变却急剧增长，并产生明显的塑性变形，即屈服。屈服强度是确定结构容许应力的主要依据。使材料发生屈服的应力称为屈服应力或屈服极限(σs)。屈服阶段应力下降达到最低点后又略微上升，然后钢筋的应力呈现小幅度的波动，而变形则呈明显的持续增加，曲线表现为水平波动——初始瞬时效应。RsHRsL上屈服强度RsH：试样发生屈服而力首次下降前的最高应力。下屈服强度RsL：在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力。GB/T228.1-2021：当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点，应区分上屈服强度和下屈服强度。

屈服强度RsHRsL3)强化阶段(ce)：应变随应力的增加而继续增加。e点的应力称为强度极限或抗拉强度，用σb表示，单位为MPa。屈强比(σs/σb)在工程中很有意义，此值越小，表明结构的可靠性越高，即防止结构破坏的潜力越大；但此值太小时，钢材强度的有效利用率低。合理的屈强比一般在0.60～0.75之间。4)颈缩阶段(ef)：当应力增大至强度极限f之后，钢材的变形速度明显加快，而承载能力明显下降，试样出现局部显著收缩，这一现象称为颈缩。颈缩出现后，使试件继续变形所需载荷减小，故应力应变曲线呈现下降趋势，直至最后在f点断裂。2、高碳钢(硬钢)的拉伸特点

中碳钢与高碳钢(硬钢)的拉伸过程无明显的屈服阶段。通常以条件屈服点σ0.2代替其屈服点。条件屈服点是使硬钢产生0.2%塑性变形(残余变形)时的应力。3、钢材拉伸强度屈服强度或屈服点：

抗拉强度或强度极限：σs、σb—钢材的屈服强度和抗拉强度，MPa；FS、Fb—钢材拉伸时的屈服荷载和极限荷载，N；A0—钢材试件的初始横截面面积，mm2。(二)塑性钢材的塑性是指钢材在受力破坏前可以经受永久变形的性能。通常用伸长率和断面收缩率表示。1、伸长率：试样拉断后原始标距的增长与原始标距之比。式中:l1——试件断裂后标距的长度，mm；

l0——试件的原标距(l0=5d0或l0=10d0，d0为试件的直径)，mm；

δ——伸长率(当l0=5d0时，为δ5；当l0=10d0时，为δ10)。

伸长率是衡量钢材塑性的重要指标，δ越大，钢材的塑性越好。伸长率大小与标距大小有关，对于同一种钢材，δ5>δ10。钢材具有一定的塑性变形能力，可以保证钢材应力重分布，从而不至于突然产生脆性破坏。2、断面收缩率：试件拉断后缩颈处横断面积的最大缩减量与原始横断面积之比的百分率。式中:A0——试样的原横截面面积，mm2；

A1——试样裂断(缩颈)处的横截面面积，mm2。伸长率和收缩率都反映了钢材的变形能力，二者越大，表明钢材的塑性越好，钢材越易加工，且易保证质量。(三)冲击韧性

冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不破坏的能力。

冲击韧性值αk通过标准试件的冲击韧性试验确定αk=Ak/A式中：A——试样缺口处的截面积，cm2；

Ak——冲击吸收功，J。

Ak(或αk)值越大，钢材被冲断时所吸收的功越多，冲击韧性越好。(四)疲劳强度

疲劳破坏：钢材在交变荷载反复作用下，往往在远小于抗拉强度的情况下突然产生的破坏。钢材的疲劳破坏指标用疲劳强度或疲劳极限来表示。

疲劳强度或疲劳极限：指试件在交变应力条件下，在规定的周期基数内不发生破坏所能承受的最大应力值。一般把钢材承受交变荷载作用(1×106～1×107)次时不发生破坏的最大应力作为疲劳强度。(五)硬度

硬度：钢材表面局部体积内抵抗更硬物体压入而引起塑性变形的能力。

我国现行国家标准测定金属硬度的方法有布氏硬度(Brinellhardness)、洛氏硬度(Rock-wellhardness)和维氏硬度(Vickershardness)三种。布氏硬度和洛氏硬度最常用。

各类钢材的HB值与强度之间有大致的正比例关系。

碳素钢的HB值与其抗拉强度σb之间存在以下关系：

当HB＜175时，σb≈0.36HB；当HB＞175时，σb≈0.35HB。（一）冷弯性能冷弯性能是指钢材在常温条件下，以一定的弯心直径d和弯曲角度α对钢材进行弯曲，钢材能够承受弯曲变形的能力。钢材的冷弯，一般以弯曲角度α、弯心直径d与钢材厚度(或直径)a的比值d/a来表示。弯曲角度越大，d/a越小，表示钢材的冷弯性能越好。2.1.2工艺性能钢材的冷弯示意图

钢材冷弯时的弯曲角度越大，弯心直径越小，则表示冷弯性能越好。

钢材的冷弯性能也是评定焊接质量的重要指标。对于重要结构和弯曲成型的钢材，其冷弯性能必须合格。（二）焊接性能焊接的质量取决于焊接工艺、焊接材料及钢的焊接性能。可焊性好的钢材在一定的工艺条件下，焊缝及附近过热区不会产生裂缝及硬脆倾向，焊接后的力学性能如强度不低于或略低于原材。高碳钢及合金钢焊接时采用焊前预热及焊后热处理等措施可改善其焊后的硬脆性。（一）钢材的冷加工1)冷加工强化(或冷作硬化)：是指将钢材在常温下冷加工后，使之产生一定的塑性变形，从而提高屈服点，即强度和硬度明显提高，但塑性、韧性及弹性模量有所降低的过程。钢材常用的冷加工方式有冷拉、冷拔和冷轧。2)钢材的时效处理：将经冷加工后的钢材，在常温下存放15～20

d，或加热至100～200

℃并保持2

h左右，其屈服强度、抗拉强度及硬度进一步提高，塑性和冲击韧性显著降低，弹性模量得以恢复的现象。（二）钢材的热处理钢材的热处理主要包括退火、正火、淬火、回火四种基本方式。2.1.3钢材的冷加工和热处理（一）碳素结构钢的技术要求

1、碳素结构钢的牌号及其表示方法根据《碳素结构钢》(GB/T700-2006)规定，碳素结构钢分为Q195、Q215、Q235和Q275四个牌号(Q表示屈服点，数值为屈服强度值)。按其冲击性和硫、磷杂质含量由多到少：A、B、C、D四个质量等级。脱氧程度：F(沸腾钢)，b(半镇静钢)、Z(镇静例)、TZ(特殊镇静钢)。牌号表示方法：是由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级(A、B、C、D)、脱氧程度(F、b、Z、TZ)等四个部分按顺序组成。Q235-AF，屈服点为235MPa的A级沸腾钢；Q235-C，屈服点为235MPa的C级镇静钢。2.2建筑用钢及其技术要求

2、碳素结构钢的技术要求按照国家标准《碳素结构钢》(GB/T700-2006)规定，碳素结构钢的技术要求如下：1)化学成分：各牌号碳素结构钢的化学成分应符合表8-1的规定。2)力学性能：碳素结构钢的强度、冲击韧性等指标应符合表8-2的规定，冷弯性能应符合表8-3的要求。碳素结构钢随着牌号的增大，其含碳量和含锰量增加，强度和硬度提高，而塑性和韧性降低，冷弯性逐渐变差。钢材在应用过程中还应符合现行《钢筋混凝土用钢第1部分:热轧光圆钢筋》(GB/T1499.1)、《钢筋混凝土用钢第2部分:热轧带肋钢筋》(GB/T1499.2)和《冷轧带肋钢筋》(GB/T13788)的相关技术要求。工程实例广东某斜拉桥竣工于1989年。1995年5月其中一条拉索突然坠落，经检验确认其他拉索的钢丝也已受不同程度的腐蚀。对坠落的拉索进行研究，钢丝的腐蚀程度由下而上逐渐增加，且与所灌注的水泥浆体的情况有明显的对应关系。其中锈蚀严重部分钢丝的表面多已不存在镀锌层，露出了钢基体，有明显的点腐蚀形貌。该部分水泥浆体未凝结。〔原因分析〕拉索钢丝所受的腐蚀原因是所灌注的水泥浆体不凝结，产生电化学腐蚀；而水泥浆体所含的一定量的Cl-及钢丝在拉应力的作用下更加速了此锈蚀过程。水泥浆体不凝结的原因是：该拉索所灌注的水泥浆产生离析，含一定浓度FDN减水剂的大水灰比的水泥浆体富集于拉索上部，在密闭的条件下，造成浆体长时间不凝结。〔防治措施〕该桥全部更换拉索。案例解析（二）优质碳素结构钢及其技术要求1、优质碳素结构钢的牌号及表示方法优质碳素结构钢也称为“热处理钢”。磷、硫有害杂质含量均不得超过0.035%。钢的质量稳定，综合性能好，但成本较高。根据《优质碳素结构钢》(GB/T699-2015)，优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，即钢中平均含碳量的万分位数。共有28个牌号，分别为08、10、15、20、25、……、85和15Mn、20Mn、25Mn、……、70Mn。2、优质碳素结构钢的技术要求按含碳量不同可分为三类：低碳钢（C≤0.25%）、中碳钢（C为0.25~0.6%）和高碳钢（C＞0.6%）；按使用加工方法可分为压力加工用钢UP(包括热加工用钢UHP，顶锻用钢UF，冷拔坯料用钢UCD)和切削加工用钢UC；按表面种类分为压力加工表面SPP，酸洗SA，喷丸(砂)SS，剥皮SF和磨光SP。优质碳素结构钢的性能主要取决于含碳量。含碳量高，其强度就高，但塑性和韧性会降低。在建筑工程中，30～55号钢主要用于重要结构的钢铸件和高强度螺栓等，其中45号钢用作预应力钢筋混凝土锚具，65～80号钢用于生产预应力钢筋混凝土用的碳素钢丝、刻痕钢丝和钢绞线。（三）低合金高强度结构钢的技术要求低合金高强度结构钢是在碳素结构钢的基础上加入总量小于5％的合金元素得到的结构钢。钢材以热轧、控轧、正火、正火轧制或正火加回火、热机械轧制（TMCP）或热机械轧制加回火状态交货。根据《低合金高强度结构钢》(GB/T1591-2018)，低合金高强度结构钢分8个强度级别、5个质量等级。低合金高强度结构钢的作用主要是减轻结构质量，延长结构使用寿命。主要用于轧制型钢、钢板、钢管及钢筋，广泛应用于钢结构和钢筋混凝土结构中，特别大型及重型结构、大跨度结构、高层建筑、桥梁工程、承受动力荷载和冲击荷载的结构等。桥梁建筑用钢通常有钢结构用钢和钢筋混凝土结构用钢两种。（一）钢结构用钢

1、桥梁钢结构用钢牌号及其表示方法根据《桥梁用结构钢》(GB/T714-2015）的规定，钢的牌号由代表屈服强度的汉语拼音字母、规定最小屈服强度值、桥字的汉语拼音首位字母，质量等级符号等几个部分组成。当以热机械轧制状态交货的D级钢板，且具有耐候性能及厚度方向性能时，则在上述规定的牌号后分别加上耐候(NH)及厚度方向(Z向)性能级别的代号。如Q420qDNHZ15，Q为屈服强度"屈"的汉语拼音首位字母，420为规定最小屈服强度值，q为桥用拼音首位字母，D代表质量等级为D级，NH为耐候，Z为厚度方向(Z向)性能(参照《厚度方向性能钢板》(GB/T5313-2010))。2、桥梁结构用钢的技术要求桥梁结构用钢的力学性能应满足《桥梁用结构钢》(GB/T714-2015）的规定，见表8-4。2.3桥梁建筑用钢及其技术要求（二）钢筋混凝土结构用钢钢筋混凝土结构用的钢筋和钢丝，主要由碳素结构钢或低合金结构钢轧制而成。主要品种有热轧钢筋、冷轧带肋钢筋、预应力混凝土用钢材(螺纹钢筋、钢丝和钢绞线)等。按直条或盘条（也称盘圆）供货。1、热轧钢筋钢筋混凝土用热轧钢筋按其表面的形状分为光圆钢筋和带肋钢筋。(1)热轧光圆钢筋热轧光圆钢筋是指经热轧成型，横截面通常为圆形，表面光滑的成品钢筋，其公称直径范围为6～22mm，牌号为HPB＋屈服强度特征值(HPB300)，采用碳素结构钢轧制，具有塑性好、伸长率高、便于弯折成形等特点，可用作中小型钢筋混凝土结构的受力钢筋或箍筋。热轧光圆钢筋的力学性能应满足《钢筋混凝土用钢第1部分：热轧光圆钢筋》(GB/T1499.1-2017）的规定，见表8-5。(2)热轧带肋钢筋热轧带肋钢筋是用低合金结构钢轧制，横截面通常为圆形，且表面带肋的混凝土结构用钢材，有月牙肋钢筋和等高肋钢筋两种。月牙肋钢筋是指钢筋有两条纵肋和沿长度方向均匀发布的横肋，横肋的纵横面呈月牙形且与纵肋不相交的钢筋；等高肋钢筋是指钢筋有两条纵肋和沿长度方向均匀发布的横肋，横肋的纵横面高度相等且与纵肋相交的钢筋称为。热轧带肋钢筋的公称直径范围为6～50mm。根据热轧工艺，热轧带肋钢筋又分为普通热轧钢筋HRB和细晶粒热轧钢筋HRBF。普通热轧钢筋牌号由HRB＋屈服强度特征值构成，有HRB400、HRB500、HRB600，以及HRB+屈服强度特征值＋E(Earthquake的首字母）构成，有HRB400E、HRB500E。细晶粒热轧钢筋牌号由HRBF＋屈服强度特征值构成，有HRBF400、HRBF500、以及HRBF＋屈服强度特征值＋E(Earthquake的首字母）构成，有HRBF400E、HRBF500E。热轧带肋钢筋的力学性能应满足《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》(GB/T1499.2-2018）的规定，见表8-6。2、冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋是由热轧圆盘条经冷轧后，在其表面带有沿长度方向均匀分布的横肋的钢筋。二面肋和三面肋钢筋横肋呈月牙形，四面肋钢筋横肋的纵截面应为月牙状并且不应与横肋相交。根据《冷轧带肋钢筋》(GB/T13788-2018)的规定，冷轧带肋钢筋按延性高低分为冷轧带肋钢筋、高延性冷轧带肋钢筋。钢筋的牌号由CRB+抗拉强度特征值、CRB+抗拉强度特征值+H(Highelongation的首字母)构成，分为CRB550、CRB650、CRB800、CRB600H、CRB680H、CRB800H六个牌号。CRB550、CRB600H、CRB680H钢筋的公称直径范围为4～12mm，CRB650、CRB800、CRB800H公称直径为4mm，5mm、6mm。冷轧带肋钢筋具有强度高、塑性好、质量稳定、与混凝土黏结牢固等优点，它广泛用于中小型预应力混凝土结构构件和普通混凝土结构构件中。3、预应力混凝土用钢材(1)螺纹钢筋：预应力混凝土用螺纹钢筋以屈服强度划分级別，其代号用“PSB”加上规定屈服强度最小值